基于三維激光掃描技術的建筑物立面測量

倪佳琦

(浙江省測繪科學技術研究院 浙江杭州 310030)

建筑物立面數(shù)據(jù)的可視化在建筑物改造中具有重要作用。目前，建筑物立面數(shù)據(jù)的采集方式主要有兩種：一種是傳統(tǒng)測量方式，如全站儀配合皮尺，這種方式采集的數(shù)據(jù)精度高，但是效率低下，人力成本較高；另一種是無人機傾斜攝影測量技術，雖然采集數(shù)據(jù)效率高，但是對于小區(qū)改造項目，當小區(qū)內遮擋較為嚴重時會導致其數(shù)據(jù)采集不完整，精度不高[1]。

三維激光掃描技術是一種新型的數(shù)據(jù)采集技術，可以在短時間內快速獲取大量的高精度三維點云數(shù)據(jù)。利用豐富的點云數(shù)據(jù)構建真實三維實景模型，可以真實地反映場景環(huán)境。目前，三維激光掃描技術已經在文物保護、古建筑測量、建筑設計和地形測量等測繪項目中有著廣泛的應用。隨著三維激光掃描技術應用的推廣，三維激光掃描儀應用到小區(qū)立面改造中的案例也越來越多。李婉[2]總結了三維激光掃描儀在立面改造中的優(yōu)勢和工作流程，并通過實例驗證了利用該技術進行立面測量的可行性；桂仁等[3]針對傳統(tǒng)立面測量手段存在的作業(yè)效率低、復雜建筑物細部輪廓繪制難度大等問題,引入非接觸式三維激光掃描儀,研究了基于定向法的點云拼接及其點云數(shù)據(jù)處理方法,并應用于建筑物立面測量與提取中。本文以某小區(qū)建筑物立面改造項目為案例，研究利用三維激光掃描技術進行建筑物立面改造的外業(yè)數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)拼接、點云數(shù)據(jù)去噪和點云測圖的整個流程，并對點云測圖的精度進行驗證。

1 建筑物平面與立面成果圖制作流程

基于三維激光掃描技術的建筑物平面與立面成果圖制作流程：

1)依據(jù)項目需求，對項目的所有資料進行整理、歸納，完成項目具體測量規(guī)劃，然后實地踏勘驗證項目測量規(guī)劃的可行性，具體包括建筑平面圖及立面資料的收集，現(xiàn)場踏勘以及各個待測建筑立面照片拍攝、編號等工作。

2)當項目所在區(qū)域滿足測量條件后，進行實地數(shù)據(jù)采集。三維激光掃描建筑立面數(shù)據(jù)采集主要包括建筑立面點云數(shù)據(jù)采集等，必要時還需要借助全站儀、皮尺等輔助補測。針對各個建筑立面的特點，在選定的位置依次架設三維激光掃描儀，對中、整平，量取儀器高，設置合理的掃描密度和掃描距離進行三維激光掃描測量作業(yè)，可一次性對單個建筑或幾個建筑完成三維激光掃描作業(yè)。

3)數(shù)據(jù)采集完成后，將各測站的數(shù)據(jù)導入電腦，采用配套的點云數(shù)據(jù)處理軟件，對各測站點云進行配準處理，將配準后的各測站點云拼接，成為一個整體。

4)將建筑各立面點云導入清華山維EPS三維測圖軟件中，結合建筑立面照片及點云，描繪建筑平面圖與立面圖，完成建筑物平面與立面成果圖制作。

2 測區(qū)數(shù)據(jù)采集

某小區(qū)經現(xiàn)場踏勘，人流量大，內部樹木多，遮擋情況較為嚴重，通視條件不理想，如果利用傳統(tǒng)測量方法進行立面測量，很難在較短時間內完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集，而利用無人機傾斜攝影測量技術進行數(shù)據(jù)采集，空域申請困難和測區(qū)遮擋等問題仍然不能解決。因此，本項目采用三維激光掃描技術進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

本小區(qū)改造項目需要制作小區(qū)內所有建筑物的立面圖和剖面圖，采集數(shù)據(jù)包括房屋建筑物、陽臺、雨棚等的高度、長度和寬度信息。

2.1 項目目標及儀器選擇

本項目使用的儀器包括徠卡TM50全站儀、徠卡RTC360三維激光掃描儀、單反像機及皮尺等，使用的軟件有徠卡Cyclone點云數(shù)據(jù)處理軟件和清華山維EPS三維測圖軟件等。徠卡RTC360三維激光掃描儀的相關參數(shù)：視角范圍，水平360°，垂直270°；有效距離為270 m；測距精度為1.2 mm+D×10-6；角度精度為18″；掃描方式為脈沖式。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本項目使用RTC360三維激光掃描儀進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)現(xiàn)場踏勘結果，無需在實地布設標靶與地面控制點，直接使用掃描儀自身坐標系統(tǒng)進行激光數(shù)據(jù)采集，選擇地物特征點進行點云數(shù)據(jù)拼接，點云成果采用RTC360激光掃描儀自身坐標系統(tǒng)。本項目現(xiàn)場測量方案主要包括：

1)按照獨立設站的方式架設三維激光掃描儀，具體架站數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定，但是基本原則為一個拐角保證至少架設1站。

2)按照單機操作掃描方式對小區(qū)建筑物進行掃描。掃描范圍為儀器架設點全景掃描，掃描分辨率設置為基本分辨率(10 cm×100 cm)，對于細部特征要求高的區(qū)域可人工調整掃描分辨率。

3)將三維激光掃描儀的入射角控制在55°以內，確保掃描點云數(shù)據(jù)的配準精度，同時還要保證測站之間的重疊率大于60%，對于掃描困難區(qū)域，要求測站之間的重疊率不能小于30%。

最終在整個小區(qū)范圍內完成了30站的激光掃描。借助掃描儀自帶的誤差消除功能，可保證測站之間的處理誤差小于5 mm。為了避免二次返工，可使用單反像機采集掃描區(qū)照片信息，作為數(shù)據(jù)儲備用于內業(yè)測站數(shù)據(jù)拼接和成圖標注。

3 內業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.1 點云數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描點云內業(yè)處理使用的軟件平臺為徠卡Cyclone，點云處理主要包括兩部分：點云數(shù)據(jù)拼接和點云數(shù)據(jù)過濾。

3.1.1 點云數(shù)據(jù)拼接

點云數(shù)據(jù)拼接也就是點云配準的過程，是將外業(yè)各個站點采集的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合在同一個坐標系下，從而獲取測區(qū)內具有統(tǒng)一基準的所有點云數(shù)據(jù)。由于本項目的數(shù)據(jù)采用無標靶無控制點的采集方式，且測站間的誤差已經在掃描儀測量過程中自動消除，所以可以通過直接選擇特征點進行點云拼接，即選取不同測站間3個同名建筑特征點組成旋轉矩陣實現(xiàn)點云的拼接。本項目所有點云數(shù)據(jù)拼接后的同名點內符合精度均在6 mm以內。拼接完成后的掃描點云數(shù)據(jù)如圖1所示，其中地面空洞部分為測站架設位置。

圖1 配準后的掃描點云數(shù)據(jù)Fig.1 Scanning Point Cloud Data after Registration

3.1.2 點云數(shù)據(jù)過濾

點云數(shù)據(jù)過濾包括兩部分：點云數(shù)據(jù)去噪和點云數(shù)據(jù)抽稀。點云數(shù)據(jù)去噪是去除掃描儀在進行激光掃描時由人為操作、環(huán)境干擾和儀器等因素產生的噪聲點。噪聲點的存在不僅會降低點云精度，還會干擾成果制作，如基于點云制作成果時會將噪聲點捕捉為特征點。針對不同噪聲點類型，采用對應的去噪方式剔除；對于無法剔除的噪聲點，可采用人機交互式進行去噪。徠卡Cyclone軟件對不同噪聲點類型的去噪方法如表1所示。

表1 噪聲點主要類型以及對應去噪方法Tab.1 Main Types of Noise Points and Corresponding Denoising Methods噪聲點類型定 義去噪方法混雜點非主要地物的點云,如包含測區(qū)內車輛、植被及其他設施等的點云按形狀過濾漂移點空中離散的點云,如空中顆粒、飛蟲、飛鳥等的點云按強度過濾冗余點測區(qū)范圍外的點云,如路人等點云按多邊形過濾

3.2 基于點云數(shù)據(jù)的圖形采集

基于點云數(shù)據(jù)進行圖形采集時，如果點云密度過大，不僅會對圖形采集造成一定的影響，還會增加模型辨認的難度，故需要在圖形采集前抽稀點云數(shù)據(jù)。通常抽稀比例為所有有效點云數(shù)據(jù)量的1/3。為了使抽稀后的點云數(shù)據(jù)能滿足圖形采集時對特征點的提取要求，需要確保抽稀后的點云間距小于等于5 mm。

相比于傳統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內業(yè)編輯成圖，利用三維激光掃描儀采集點云進行圖形提取是一種更為便捷、直觀的成圖方法。將處理好的、滿足制圖要求的點云數(shù)據(jù)導入EPS三維測圖軟件中，借助其平面繪制功能提取建筑物二維信息，包括建筑物落地幾何尺寸信息和建筑物外部立面幾何信息，如圖2所示。

圖2 建筑物二維信息提取Fig.2 2D Information Extraction of Buildings

基于三維激光點云數(shù)據(jù)的建筑物落地幾何尺寸信息提取，是通過剖面不斷調整高程來確定建筑物的有效長邊，再利用線相交功能連接相鄰長邊，得到相應建筑物角點信息，最后根據(jù)房屋短邊特征獲取有效短邊，并將其連接到建筑物長邊。圖2(a)為提取的建筑物落地幾何尺寸信息，圖2(b)為鎖定點云投影面后提取的建筑物外部立面幾何信息。

根據(jù)小區(qū)改造項目要求，需要繪制小區(qū)內所有建筑物的落地平面圖與立面圖。結合建筑物角點信息與立面提取信息，進行修飾和注記等處理，得到建筑物的平面圖與立面圖，如圖3所示。

圖3 建筑物的落地平面圖與立面圖Fig.3 Floor Plan and Elevation Mapping of Buildings

3.3 精度評定

為了對基于點云提取的建筑物信息的精度進行驗證，本項目將實地測量的建筑物尺寸與基于點云提取的建筑物尺寸進行比對，統(tǒng)計二者的偏差，用于對點云提取建筑物尺寸的精度進行評估。具體實施方案：首先，選擇小區(qū)內兩棟建筑物作為精度驗證樣本；其次，測量獲取這兩棟建筑物及建筑物附屬物的部分尺寸信息，包括臺階、窗、門和建筑物外部輪廓；最后，計算實測的尺寸信息與基于點云獲取的尺寸信息的差值Δ，計算結果如表2所示。

表2 點云提取建筑物尺寸偏差統(tǒng)計Tab.2 Statistics of Dimensional Deviation of Buildings Extracted from Point Cloud樣本類型樣本實際尺寸/m圖上尺寸/mΔ/cm臺階11.5361.5481.221.5351.5491.430.4310.4552.440.4330.4582.5窗11.3221.3452.321.3181.3432.531.3241.3472.341.3211.3462.5門11.6351.6612.621.6371.6582.130.8520.8863.440.8550.8822.7建筑物外部輪廓111.14311.1222.129.8849.8533.1315.16815.1442.4410.27410.2512.3

由表3計算可知，利用三維激光掃描儀采集點云提取建筑物尺寸信息的最大偏差為3.4 cm，最小偏差為1.2 cm，平均偏差約為2.4 cm，中誤差為±2.4 cm。目前，尚無建筑物立面測量方面的相關標準，參考《工程測量規(guī)范》中對坐標點精度的要求：主要建筑物點位中誤差小于5 cm，一般建筑物點位中誤差小于7 cm，本項目利用三維激光掃描技術測量建筑物立面的精度均能達到相關規(guī)范要求。

4 結 語

近年來，隨著建筑物立面測量項目的增加，三維激光掃描技術應用到建筑物立面測量的案例也越來越多。三維激光掃描技術可在短時間內采集海量點云集與高清影像，而且細節(jié)信息豐富，可顯著提高外業(yè)工作量較大項目中的立面測量的工作效率。本文以實際項目為依托，將三維激光掃描技術應用于小區(qū)改造中的平面圖與立面圖制作，介紹了利用三維激光掃描技術進行測圖的重要技術環(huán)節(jié)，驗證了利用三維激光掃描技術進行測圖的可行性與便捷性。通過對成圖精度進行檢驗，得到利用點云數(shù)據(jù)提取建筑物尺寸信息的平均精度可以達到2.4 cm，滿足相關規(guī)范對建筑物測量的精度要求。